● 趙文靜 康泰瑋 姚姿淇/文

關(guān)鍵礦物是維持21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵礦產(chǎn)資源。例如，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的稀土用量約為1噸；一架F-35噴氣式飛機(jī)的稀土用量約為半噸;一輛電動(dòng)汽車用電池中鋰的用量為60公斤;一臺(tái)臺(tái)式電腦需要用到75種不同的關(guān)鍵礦物。同時(shí)，每年有2.4億噸磷酸鹽礦石被加工成磷肥，用于農(nóng)業(yè)來(lái)養(yǎng)活世界人口。

如今，世界經(jīng)濟(jì)并沒(méi)有準(zhǔn)備好滿足對(duì)關(guān)鍵礦產(chǎn)激增的需求。在這些關(guān)鍵礦產(chǎn)資源中有很大一部分直到不久以前都還沒(méi)有什么經(jīng)濟(jì)價(jià)值。而現(xiàn)在，它們可用來(lái)促進(jìn)對(duì)全世界社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要的技術(shù)和工業(yè)的廣泛傳播。但是，關(guān)鍵礦產(chǎn)資源由于自然稀缺性、地緣政治問(wèn)題和貿(mào)易政策等各種復(fù)雜因素而面臨供應(yīng)短缺的風(fēng)險(xiǎn)。

鎵、銦和稀土等關(guān)鍵礦物質(zhì)對(duì)運(yùn)行計(jì)算機(jī)和顯示數(shù)據(jù)的電子設(shè)備是不可或缺的。其他的關(guān)鍵礦物，如含有磷和鉀的肥料、甚至是含有活性成分的藥物都對(duì)不斷增長(zhǎng)的全球人口至關(guān)重要。用關(guān)鍵礦物制備的新型金屬合金可用來(lái)生產(chǎn)更輕、更堅(jiān)固的材料，可提高車輛的燃油效率。輕型車輛正在改變我們的運(yùn)輸系統(tǒng)，其中許多車輛采用關(guān)鍵礦物(如鋰、鈷、鎳)生產(chǎn)的新型電池材料。關(guān)鍵礦物對(duì)于開(kāi)發(fā)向非碳能源轉(zhuǎn)變的相關(guān)新能源技術(shù)尤為重要。

包括軍事和國(guó)防在內(nèi)的幾乎所有工業(yè)部門都越來(lái)越依賴關(guān)鍵礦物，這也加劇了全球?qū)ふ倚沦Y源并建立穩(wěn)定、長(zhǎng)期供應(yīng)鏈的競(jìng)爭(zhēng)。由于技術(shù)進(jìn)步的加速，新資源的尋找工作變得異常復(fù)雜，因?yàn)槲覀兒茈y預(yù)測(cè)未來(lái)需要什么樣的關(guān)鍵礦物，需要的數(shù)量是多少。

2019年12月，“關(guān)鍵礦產(chǎn)測(cè)繪計(jì)劃”(CMMI)在加拿大渥太華召開(kāi)了首次會(huì)議，這個(gè)計(jì)劃由三個(gè)國(guó)家的科學(xué)家合作完成，包括加拿大地質(zhì)調(diào)查局、澳大利亞地球科學(xué)局和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的代表。計(jì)劃的主旨是利用這些國(guó)家的專業(yè)地質(zhì)知識(shí)來(lái)解決全球自然資源的脆弱性問(wèn)題。

什么是關(guān)鍵礦物？

隨著維持21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)所需的關(guān)鍵礦產(chǎn)科學(xué)的快速發(fā)展，化學(xué)元素周期表不再僅僅是科學(xué)專家和化學(xué)專業(yè)學(xué)生的工具，在表格中添加注釋，可表明哪些元素對(duì)工業(yè)企業(yè)、生產(chǎn)制造、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、國(guó)防和軍工來(lái)說(shuō)至關(guān)重要(圖1)。

圖1 化學(xué)元素周期表中的關(guān)鍵礦率元素

圖1中帶有紅色底紋的元素表示由于特定的國(guó)家問(wèn)題、全球供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)和潛在的供應(yīng)限制問(wèn)題而被認(rèn)定為關(guān)鍵礦物的元素。(底紋顏色最輕的元素表示只出現(xiàn)在了一個(gè)國(guó)家的重要礦物清單上；底紋顏色逐漸加深表示出現(xiàn)在了2～3個(gè)國(guó)家的重要礦物清單上。)該圖還顯示了20世紀(jì)80年代、90年代和21世紀(jì)以來(lái)，高速發(fā)展的、大容量集成電路所需的關(guān)鍵礦物的動(dòng)態(tài)演變，并以此為例還可以說(shuō)明科技發(fā)展如此迅速而很難預(yù)測(cè)未來(lái)所需的關(guān)鍵礦物。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的《礦物年鑒》包含了90種關(guān)鍵礦物的信息和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

市場(chǎng)波動(dòng)激發(fā)了“臨界性”的概念，它包括供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境影響和供應(yīng)限制的潛在后果。在這種情況下，關(guān)鍵礦物被定義為對(duì)經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全至關(guān)重要的金屬、非金屬元素和化合物，但其供應(yīng)可能因地質(zhì)稀缺、地緣政治問(wèn)題、貿(mào)易政策或其他與開(kāi)采、提煉和運(yùn)輸相關(guān)的因素而面臨風(fēng)險(xiǎn)。(“礦物”在這里的用法與該詞科學(xué)意義有些不同，它的科學(xué)意義是指具有確定成分和晶體結(jié)構(gòu)的天然固體。而“關(guān)鍵礦物”包括那些符合礦物科學(xué)定義的材料以及元素，如稀土元素，也包括那些不符合科學(xué)定義的化合物)。因此，許多國(guó)家都制定了關(guān)鍵礦物清單。

盡管這些清單因國(guó)而異，但從圖1可以看出，不同國(guó)家的重要礦物清單有很大的重疊部分。技術(shù)創(chuàng)新、冶金和采掘技術(shù)的進(jìn)步、地緣政治和經(jīng)濟(jì)貿(mào)易緊張都決定了這些重要礦產(chǎn)清單可以不斷演變，唯一可以確定的是清單中的礦物在不斷增加。例如，20世紀(jì)80年代，高速發(fā)展的、大容量集成電路中只含有12種礦物，但到了21世紀(jì)則含有60多種礦物。手機(jī)中含有約75種礦物材料，包含了化學(xué)元素周期表約三分之二的元素。

分布不均勻和供應(yīng)的不對(duì)稱性

許多問(wèn)題交織在一起，威脅著關(guān)鍵礦產(chǎn)的穩(wěn)定供應(yīng)，但其核心的本質(zhì)則反映了物理稀缺性(礦物豐度)和經(jīng)濟(jì)稀有性之間復(fù)雜的相互作用。

物理稀缺性是主要問(wèn)題，很大程度上是因?yàn)殛P(guān)鍵礦物在地球上分布不均勻(圖2)。沒(méi)有哪個(gè)國(guó)家在滿足其所有礦產(chǎn)資源需求方面完全自給自足，關(guān)鍵礦產(chǎn)資源的不對(duì)稱分布加劇了與主要供應(yīng)國(guó)的貿(mào)易緊張、政治動(dòng)蕩和資源民族主義相關(guān)的供應(yīng)可靠性問(wèn)題。

圖2 2019年世界關(guān)鍵礦產(chǎn)元素分布圖

稀土危機(jī)就是一個(gè)很好的例子，它說(shuō)明了經(jīng)濟(jì)稀缺性是如何導(dǎo)致供應(yīng)鏈的脆弱性。稀土元素中的七種被稱為重稀土元素(見(jiàn)圖1)，對(duì)于新技術(shù)來(lái)說(shuō)是不可或缺的，尤其是在綠色能源、國(guó)防和電子應(yīng)用領(lǐng)域。目前，幾乎所有的重稀土都來(lái)自中國(guó)南方的離子吸附型稀土礦。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)但尚未開(kāi)發(fā)的、與火成巖相關(guān)的碳酸巖礦床已被發(fā)現(xiàn)是輕稀土的又一來(lái)源，但經(jīng)濟(jì)上可行的其他重稀土來(lái)源仍不清楚，實(shí)際應(yīng)用中重稀土元素的替代品也尚未確定。最近的研究已經(jīng)確定，有應(yīng)用潛力的、非常規(guī)的重稀土元素來(lái)源包括富含稀土元素的深海泥漿和富含稀土元素的沉積磷酸鹽礦床。但是這些資源需要幾年甚至幾十年的時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)。

關(guān)鍵礦物帶來(lái)的另一個(gè)令人生畏的挑戰(zhàn)是，它們主要作為幾種常規(guī)礦床類型的附屬商品出現(xiàn)，并且是這些礦床加工過(guò)程中的副產(chǎn)品。此外，與礦石加工后得到的常規(guī)初級(jí)商品相比，關(guān)鍵礦物回收產(chǎn)生的收入通常很少，市場(chǎng)規(guī)模也不大。人們對(duì)礦石中所含關(guān)鍵礦物的分布情況知之甚少，礦山規(guī)劃時(shí)也很少考慮這種分布。因此，目前關(guān)鍵礦物的供應(yīng)不太可能增加并滿足日益增長(zhǎng)的需求。

此外，隨著數(shù)百年來(lái)為了易于開(kāi)發(fā)現(xiàn)有地表和近地表礦床而研發(fā)的傳統(tǒng)勘探方法近乎用盡，這些技術(shù)在發(fā)現(xiàn)新礦床方面變得越來(lái)越?jīng)]有效果。例如，在2003年至2013年期間，用于尋找新銅礦的勘探支出提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，這是由于輸電和發(fā)電應(yīng)用(如建筑布線、電信、電動(dòng)汽車和電子產(chǎn)品)對(duì)銅的需求接近指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)所引發(fā)的。然而，自2008年以來(lái)并沒(méi)有新發(fā)現(xiàn)重要的銅資源，也沒(méi)有在過(guò)去的25年中發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的巨型礦床(見(jiàn)圖3)?？碧綌?shù)量下降的影響還延伸到硒、碲、鉬、鈷和錸等關(guān)鍵礦物的供應(yīng)，因?yàn)殂~礦也是這些元素的主要來(lái)源。

圖3 1900年以來(lái)發(fā)現(xiàn)的銅礦以及維持現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)所需的銅的產(chǎn)量增長(zhǎng)速度和總礦產(chǎn)勘探支出

因此，尋找新的關(guān)鍵礦物來(lái)源非常重要。然而，勘探目標(biāo)非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槿藗儗?duì)富含這些關(guān)鍵礦物的礦床的產(chǎn)狀和地質(zhì)形成過(guò)程知之甚少。

美國(guó)促進(jìn)關(guān)鍵礦產(chǎn)穩(wěn)定供應(yīng)的進(jìn)程

中國(guó)一直是美國(guó)關(guān)鍵礦產(chǎn)的主要供應(yīng)商之一，隨著全球新能源電動(dòng)汽車等清潔技術(shù)行業(yè)的發(fā)展與需求上漲，美國(guó)對(duì)中國(guó)在全球供應(yīng)鏈中的主導(dǎo)地位越來(lái)越擔(dān)憂。近年來(lái)，美國(guó)一直在努力減少對(duì)國(guó)外礦產(chǎn)品進(jìn)口的依賴，并鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)礦山項(xiàng)目、加強(qiáng)礦產(chǎn)品提煉新術(shù)的研發(fā)。

2019年6月20日，美國(guó)總統(tǒng)特朗普和加拿大總理特魯多會(huì)面后發(fā)表的聲明稱，將責(zé)成官員擬定一份美加在“關(guān)鍵礦物”方面合作的計(jì)劃。

據(jù)此前英國(guó)《金融時(shí)報(bào)》報(bào)道，美國(guó)商務(wù)部發(fā)表了一份報(bào)告，研究了35種重要礦物，發(fā)現(xiàn)其中29種進(jìn)口礦物占美國(guó)國(guó)內(nèi)需求50%以上，14種占100%。在這至關(guān)重要的35種礦物和金屬中，加拿大被確定為13 種礦物的主要進(jìn)口來(lái)源。

2019年9月初，澳大利亞率先響應(yīng)號(hào)召，計(jì)劃將推出15個(gè)稀土和關(guān)鍵礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，以滿足美國(guó)的稀土需求。但隨后該國(guó)專家提出了疑惑，稱這些項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)不小，澳大利亞可能會(huì)折本。于是，美國(guó)轉(zhuǎn)而和加拿大討論了稀土供應(yīng)計(jì)劃。2020年1月9日，美國(guó)和加拿大共同宣布，他們已完成《加拿大-美國(guó)關(guān)鍵礦物合作聯(lián)合行動(dòng)計(jì)劃》，旨在增進(jìn)兩國(guó)在確保制造業(yè)，通訊技術(shù)，航空航天和國(guó)防以及清潔技術(shù)方面合作。

2020年6月，美國(guó)國(guó)務(wù)院提出了擴(kuò)大戰(zhàn)略性礦產(chǎn)計(jì)劃，以確保電池、風(fēng)能和太陽(yáng)能等關(guān)鍵金屬的供應(yīng)鏈。加拿大、澳大利亞、巴西、博茨瓦納、秘魯、阿根廷、剛果民主共和國(guó)、納米比亞、菲律賓和贊比亞等10個(gè)國(guó)家已加入美國(guó)，組成了能源資源管理倡議（ERGI）。能源資源管理倡議的戰(zhàn)略目標(biāo)是讓資源豐富的國(guó)家參與負(fù)責(zé)任的能源礦產(chǎn)治理，支持彈性供應(yīng)鏈，滿足對(duì)清潔能源技術(shù)的預(yù)期需求，最終擺脫對(duì)中國(guó)等礦產(chǎn)品主導(dǎo)國(guó)家的依賴。

表1 2017年美國(guó)需依賴進(jìn)口的關(guān)鍵礦產(chǎn)資源（節(jié)選）

利用地質(zhì)知識(shí)和數(shù)據(jù)

鑒于問(wèn)題的廣泛性和緊迫性，美國(guó)、加拿大和澳大利亞三國(guó)聯(lián)合啟動(dòng)了“關(guān)鍵礦產(chǎn)測(cè)繪計(jì)劃”，綜合三個(gè)國(guó)家的地質(zhì)知識(shí)和數(shù)據(jù)，確定關(guān)鍵礦物的新來(lái)源。

在“關(guān)鍵礦產(chǎn)測(cè)繪計(jì)劃”的首次會(huì)議上，參會(huì)者為確定一個(gè)系統(tǒng)的研究策略以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)做出了貢獻(xiàn)。第一步工作是建立一個(gè)公共的在線地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，記錄三個(gè)國(guó)家的關(guān)鍵礦物數(shù)據(jù)。這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄了從以前開(kāi)采的礦床中提取存檔樣品的關(guān)鍵礦物數(shù)據(jù)和現(xiàn)代礦山的關(guān)鍵礦物數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將得到其他國(guó)家地球化學(xué)數(shù)據(jù)集的補(bǔ)充，以無(wú)縫覆蓋三個(gè)國(guó)家。

系統(tǒng)地描述不同礦床類型中的關(guān)鍵礦物含量將有助于評(píng)估三個(gè)國(guó)家以前開(kāi)采的礦床中存在的關(guān)鍵礦物及其數(shù)量。歷史上開(kāi)采的大多數(shù)礦床在勘探時(shí)并沒(méi)有考慮關(guān)鍵礦物的情況，因?yàn)楫?dāng)時(shí)這些礦物或者沒(méi)有商業(yè)價(jià)值，或者難以分析，或者在某些情況下尚未被發(fā)現(xiàn)。這項(xiàng)工作還將凸顯在遺留的采礦廢棄物中發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵礦物的機(jī)會(huì)，并能夠預(yù)測(cè)未取樣礦床中的關(guān)鍵礦物濃度。預(yù)計(jì)，三年聯(lián)合測(cè)繪行動(dòng)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)其他之前沒(méi)有考慮到的關(guān)鍵礦物的新來(lái)源。

更重要的是，對(duì)不同礦床類型的關(guān)鍵礦物特征進(jìn)行指紋識(shí)別也將提供經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，支持最前沿的礦物研究。將這些新的地球化學(xué)數(shù)據(jù)與地質(zhì)年代學(xué)、礦物學(xué)、同位素研究以及地質(zhì)和地球物理測(cè)繪及實(shí)地觀測(cè)相結(jié)合，將增加對(duì)關(guān)鍵礦物在地殼中堆積的復(fù)雜物理、化學(xué)和地質(zhì)過(guò)程的理解。

圖4 加拿大關(guān)鍵礦產(chǎn)資源

通過(guò)不斷的努力，關(guān)鍵礦產(chǎn)測(cè)繪計(jì)劃將整合三個(gè)國(guó)家地質(zhì)調(diào)查的科學(xué)專業(yè)知識(shí)，并幫助推進(jìn)關(guān)鍵礦物科學(xué)的發(fā)展；減輕澳大利亞、加拿大和美國(guó)的供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)；并保障供應(yīng)以支持聯(lián)合國(guó)的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

圖5 澳大利亞關(guān)鍵礦產(chǎn)資源